L'huile et l'eau ne se mélangent pas, mais une équipe de KAUST a exploité les interfaces distinctes entre ces substances pour rendre la génération de plasma dans les liquides plus efficace. Cette approche est prometteuse pour la synthèse à haut rendement de nanomatériaux à partir de réactifs liquides ou pour l'élimination contrôlée des parasites d'origine hydrique.

Les versions familières des plasmas dans les enseignes au néon et les écrans de télévision utilisent des écrans stables, particules chargées à l'état gazeux. Mais lorsqu'il est produit dans l'eau à partir d'explosions d'électricité de la nanoseconde, les ions positifs dans le plasma se refroidissent considérablement par rapport aux électrons chauds énergétiques. Les décharges non thermiques résultantes sont capables de transférer de l'énergie vers ou depuis les molécules environnantes, ce qui en fait des influenceurs potentiels des réactions chimiques.

Ahmad Hamdan, un chercheur postdoctoral avec Min Suk Cha, travaille à élargir l'impact des plasmas dans le liquide en abaissant les exigences typiques de tension de claquage. Initialement, lui et ses collègues ont injecté de minuscules bulles de gaz dans des liquides pour perturber le champ électrique habituel et créer des régions d'intensité amplifiée pour déchirer les charges. Malheureusement, cette stratégie avait tendance à piéger les électrons chauds dans les bulles, les isoler des cibles chimiques potentielles.

Ces enquêtes, cependant, a révélé que les changements de permittivité diélectrique, un paramètre qui affecte la façon dont les champs électriques se propagent dans les matériaux, a joué un rôle clé dans l'amélioration du champ à base de bulles. Hamdan s'est rendu compte que ce phénomène pouvait être reproduit en plongeant une électrode dans deux liquides avec des réponses différentes aux champs électriques - une couche d'huile d'heptane à faible diélectrique au-dessus de l'eau, par exemple.

En optimisant la position de l'électrode au sein de l'interface huile-eau, Hamdan a découvert qu'il pouvait générer des plasmas dans les liquides avec une probabilité de 100 % à des tensions inférieures à la normale. De plus, le plasma se propage le long de l'interface avec une augmentation quintuple du volume de décharge.

"C'est intéressant car le plasma est capable de décomposer les deux liquides sans éroder l'électrode, " note Hamdan. "Cela nous donne la possibilité d'essayer de transformer un large éventail de substances en de nouveaux nanomatériaux."

A titre de démonstration, l'équipe a remplacé la couche d'heptane par une huile d'hexaméthyldisilazane contenant du silicium, atomes d'azote et d'hydrocarbures. L'application des décharges électriques nanosecondes à cette interface huile-eau a produit des nanoparticules d'organosilicium à des taux rapides - plusieurs milligrammes par minute - confinées en toute sécurité à l'intérieur du milieu liquide. Un post-traitement supplémentaire a donné des espèces suffisamment stables pour les dispositifs microélectroniques à haute température.

La microscopie électronique à transmission fournie par Dalaver Anjum au laboratoire d'imagerie et de caractérisation de KAUST était importante pour ce travail, qui s'est avéré crucial pour établir des relations entre des nanoparticules de silice de différentes tailles et leurs propriétés diélectriques. Par ailleurs, un prisme électronique spécial sur le microscope a fourni une décomposition élément par élément des compositions de nanoparticules individuelles.

Les applications de ce travail sont larges. "Nous n'avons démontré qu'une partie des applications potentielles réalisables, " dit Cha. "Cette idée nouvelle peut être étendue à la purification de l'eau, applications biomédicales, et la mise à niveau des combustibles liquides de mauvaise qualité ; nous continuerons à travailler pour rendre ces applications tangibles.